2.5 ENLACE METALICO Y ELEMENTOS SEMICONDUCTORES.

ENLACE METALICO

UN ENLACE METÁLICO ES UN ENLACE QUÍMICO QUE MANTIENE UNIDOS LOS ÁTOMOS DE LOS METALES ENTRE SÍ. ESTOS ÁTOMOS SE AGRUPAN DE FORMA MUY CERCANA UNOS A OTROS, LO QUE PRODUCE ESTRUCTURAS MUY COMPACTAS. SE TRATA DE REDES TRIDIMENSIONALES QUE ADQUIEREN LA ESTRUCTURA TÍPICA DE EMPAQUETAMIENTO COMPACTO DE ESFERAS. EN ESTE TIPO DE ESTRUCTURA CADA ÁTOMO METÁLICO ESTÁ RODEADO POR OTROS DOCE ÁTOMOS (SEIS EN EL MISMO PLANO, TRES POR ENCIMA Y TRES POR DEBAJO). ADEMÁS, DEBIDO A LA BAJA ELECTRONEGATIVIDAD QUE POSEEN LOS METALES, LOS ELECTRONES DE VALENCIA SON EXTRAÍDOS DE SUS ORBITALES Y TIENE LA CAPACIDAD DE MOVERSE LIBREMENTE A TRAVÉS DEL COMPUESTO METÁLICO, LO QUE OTORGA LAS PROPIEDADES ELÉCTRICAS Y TÉRMICAS DE LOS METALES.

SEMICONDUCTORES

UN SEMICONDUCTOR ES UNA SUSTANCIA QUE SE COMPORTA COMO CONDUCTOR O COMO AISLANTE DEPENDIENDO DEL CAMPO ELÉCTRICO EN EL QUE SE ENCUENTRE. LOS ELEMENTOS QUÍMICOS SEMICONDUCTORES DE LA TABLA PERIÓDICA SE INDICAN EN LA TABLA SIGUIENTE.

Elemento Grupo Electrones en la última capa

Cd II A 2 e-

Al, Ga, B, In III A 3 e-

Si, Ge IV A 4 e-

P, As, Sb V A 5 e-

Se, Te, (S) VI A 6 e-

TEORIA DE BANDAS

LA TEORÍA DE BANDAS CONSTITUYE UNA EXPLICACIÓN ALTERNATIVA DEL COMPORTAMIENTO DE LOS MATERIALES SEMICONDUCTORES. SE BASA EN EL HECHO DE QUE LOS ELECTRONES DE UN ÁTOMO AISLADO SE DISTRIBUYEN SEGÚN CIERTOS NIVELES ENERGÉTICOS, DENOMINADOS ÓRBITAS U ORBITALES, EN TORNO AL NÚCLEO. CUANDO LOS ÁTOMOS SE UNEN UNOS CON OTROS PARA FORMAR UN SÓLIDO, SE AGRUPAN DE MANERA ORDENADA FORMANDO UNA RED CRISTALINA. EN ESTE CASO, DEBIDO A LA PROXIMIDAD DE LOS ÁTOMOS ENTRE SÍ, LAS ÓRBITAS EN LAS QUE SE ENCUENTRAN LOS ELECTRONES DE CADA ÁTOMO SE VEN AFECTADAS POR LA PRESENCIA DE LOS ÁTOMOS VECINOS. DE HECHO, DICHAS ÓRBITAS SE SOLAPAN ENTRE SÍ, DANDO LUGAR A LA APARICIÓN DE UNAS ZONAS O BANDAS CONTÍNUAS EN LAS QUE SE PUEDEN ENCONTRAR LOS ELECTRONES, Y QUE RECIBEN EL NOMBRE DE BANDAS DE ENERGÍA.

BANDA DE VALENCIA

LA BANDA DE VALENCIA: ESTÁ OCUPADA POR LOS ELECTRONES DE VALENCIA DE LOS ÁTOMOS, ES DECIR, AQUELLOS ELECTRONES QUE SE ENCUENTRAN EN LA ÚLTIMA CAPA O NIVEL ENERGÉTICO DE LOS ÁTOMOS. LOS ELECTRONES DE VALENCIA SON LOS QUE FORMAN LOS ENLACES ENTRE LOS ÁTOMOS, PERO NO INTERVIENEN EN LA CONDUCCIÓN ELÉCTRICA.

BANDA DE CONDUCCION

LA BANDA DE CONDUCCIÓN: ESTÁ OCUPADA POR LOS ELECTRONES LIBRES, ES DECIR, AQUELLOS QUE SE HAN DESLIGADO DE SUS ÁTOMOS Y PUEDEN MOVERSE FÁCILMENTE. ESTOS ELECTRONES SON LOS RESPONSABLES DE CONDUCIR LA CORRIENTE ELÉCTRICA.

BANDA PROHIDIDA O GAP

ENTRE LA BANDA DE VALENCIA Y LA DE CONDUCCIÓN EXISTE UNA ZONA DENOMINADA BANDA PROHIBIDA O GAP, QUE SEPARA AMBAS BANDAS Y EN LA CUAL NO PUEDEN ENCONTRARSE LOS ELECTRONES.

CLASIFICACION EN BASE A SU CONDUCTIVIDAD ELECTRICA

CONDUCTORES: SON AQUELLOS CON GRAN NÚMERO DE ELECTRONES EN LA BANDA DE CONDUCCIÓN, ES DECIR, CON GRAN FACILIDAD PARA CONDUCIR LA ELECTRICIDAD (GRAN CONDUCTIVIDAD). TODOS LOS METALES SON CONDUCTORES, UNOS MEJORES QUE OTROS. BUENOS CONDUCTORES SON: LA PLATA, EL COBRE, EL ALUMINIO, EL ESTAÑO. MALOS CONDUCTORES SON: EL HIERRO, EL PLOMO.

AISLANTES O DIELECTRICOS: SON AQUELLOS CUYOS ELECTRONES ESTÁN FUERTEMENTE LIGADOS AL NÚCLEO Y POR TANTO, SON INCAPACES DE DESPLAZARSE POR EL INTERIOR Y, CONSECUENTEMENTE, CONDUCIR. BUENOS AISLANTES SON POR EJEMPLO: LA MICA, LA PORCELANA, EL POLIÉSTER, EL AIRE.

SEMICONDUCTORES: ALGUNAS SUSTANCIAS SON POCO CONDUCTORAS, PERO SUS ELECTRONES PUEDEN SALTAR FÁCILMENTE DE LA BANDA DE VALENCIA A LA DE CONDUCCIÓN, SI SE LES COMUNICA ENERGÍA EXTERIOR: SON LOS SEMICONDUCTORES, DE GRAN IMPORTANCIA EN LA ELECTRÓNICA. ALGUNOS EJEMPLOS SON: EL SILICIO, EL GERMANIO, EL ARSENIURO DE GALIO.

2.6 FUERZAS INTERMOLECULARES Y PROPIEDADES FISICAS

FUERZAS INTERMOLECULARES O DE VAN DER WAALS

FUERZAS DE LONDON.

EN LAS MOLÉCULAS NO POLARES PUEDE PRODUCIRSE TRANSITORIAMENTE UN DESPLAZAMIENTO RELATIVO DE LOS ELECTRONES ORIGINANDO UN POLO POSITIVO Y OTRO NEGATIVO (DIPOLO TRANSITORIO) QUE DETERMINAN UNA ATRACCIÓN ENTRE DICHAS MOLÉCULAS. (EL POLO POSITIVO DE UNA MOLÉCULA ATRAE AL POLO NEGATIVO DE LA OTRA, Y VICEVERSA).

ESTAS FUERZAS DE ATRACCIÓN SON MUY DÉBILES Y SE DENOMINAN FUERZAS DE LONDON.

DIPOLO-DIPOLO INDUCIDO

EN CIERTAS OCASIONES, UNA MOLÉCULA POLAR (DIPOLO), AL ESTAR PRÓXIMA A OTRA NO POLAR, INDUCE EN ÉSTA UN DIPOLO TRANSITORIO, PRODUCIENDO UNA FUERZA DE ATRACCIÓN INTERMOLECULAR LLAMADA DIPOLO-DIPOLO INDUCIDO.

DIPOLO – DIPOLO

CUANDO DOS MOLÉCULAS POLARES (DIPOLO) SE APROXIMAN, SE PRODUCE UNA ATRACCIÓN ENTRE EL POLO POSITIVO DE UNA DE ELLAS Y EL NEGATIVO DE LA OTRA.

ESTA FUERZA DE ATRACCIÓN ENTRE DOS DIPOLOS ES TANTO MÁS INTENSA CUANTO MAYOR ES LA POLARIZACIÓN DE DICHAS MOLÉCULAS POLARES.

PUENTES DE HIDRÓGENO

EL PUENTE DE HIDRÓGENO ES UN ENLACE QUE SE ESTABLECE ENTRE MOLÉCULAS CAPACES DE GENERAR CARGAS PARCIALES. EL AGUA, ES LA SUSTANCIA EN DONDE LOS PUENTES DE HIDRÓGENO SON MÁS EFECTIVOS, EN SU MOLÉCULA, LOS ELECTRONES QUE INTERVIENEN EN SUS ENLACES, ESTÁN MÁS CERCA DEL OXÍGENO QUE DE LOS HIDRÓGENOS Y POR ESTO SE GENERAN DOS CARGAS PARCIALES NEGATIVAS EN EL EXTREMO DONDE ESTÁ EL OXÍGENO Y DOS CARGAS PARCIALES POSITIVAS EN EL EXTREMO DONDE SE ENCUENTRAN LOS HIDRÓGENOS. LA PRESENCIA DE CARGAS PARCIALES POSITIVAS Y NEGATIVAS HACE QUE LAS MOLÉCULAS DE AGUA SE COMPORTEN COMO IMANES EN LOS QUE LAS PARTES CON CARGA PARCIAL POSITIVA ATRAEN A LAS PARTES CON CARGAS PARCIALES NEGATIVAS. DE TAL SUERTE QUE UNA SOLA MOLÉCULA DE AGUA PUEDE UNIRSE A OTRAS 4 MOLÉCULAS DE AGUA A TRAVÉS DE 4 PUENTES DE HIDRÓGENO. ESTA CARACTERÍSTICA ES LA QUE HACE AL AGUA UN LÍQUIDO MUY ESPECIAL.

SE PRODUCE UN ENLACE DE HIDRÓGENO O PUENTE DE HIDRÓGENO (CORRECTAMENTE LLAMADO ENLACE POR PUENTE DE HIDRÓGENO) CUANDO UN ÁTOMO DE HIDRÓGENO SE ENCUENTRA ENTRE DOS ÁTOMOS MÁS ELECTRONEGATIVOS, ESTABLECIENDO UN VÍNCULO ENTRE ELLOS. EL ÁTOMO DE HIDRÓGENO TIENE UNA CARGA PARCIAL POSITIVA, POR LO QUE ATRAE A LA DENSIDAD ELECTRÓNICA DE UN ÁTOMO CERCANO EN EL ESPACIO.

EL ENLACE DE HIDRÓGENO ES POCO ENERGÉTICO FRENTE AL ENLACE COVALENTE CORRIENTE, PERO SU CONSIDERACIÓN ES FUNDAMENTAL PARA LA EXPLICACIÓN DE PROCESOS COMO LA SOLVATACIÓN O EL PLEGAMIENTO DE PROTEÍNAS.

DIFERENTES DADORES DE HIDRÓGENO PARA FORMAR ENLACES DE HIDRÓGENO. LOS DADORES CLÁSICOS SON:

EL GRUPO HIDRÓXILO (OH)

EL GRUPO AMINO (NH)

EL FLUORURO DE HIDRÓGENO (HF)

MIENTRAS QUE EXISTEN DADORES NO CLÁSICOS, COMO POR EJEMPLO:

UN HIDROCARBURO SUSTITUIDO (CH) (EN EL CASO DE LOS HIDROCARBUROS NO SE FORMAN PUENTES DE HIDRÓGENO POR LA BAJA ELECTRONEGATIVIDAD DEL CARBONO. SIN EMBARGO, CUANDO EL CARBONO TIENE SUSTITUYENTES ATRACTORES DE ELECTRONES SE PUEDEN DAR INTERACCIONES DÉBILES, COMO EN EL CASO DEL CLOROFORMO)

UN ALQUINO PUEDE DAR LUGAR A INTERACCIONES DÉBILES MEDIANTE SUS HIDRÓGENOS ÁCIDOS.

DIFERENTES DADORES DE ELECTRONES PARA FORMAR ENLACES POR PUENTE DE HIDRÓGENO SON:

PARES ELECTRÓNICOS SOLITARIOS DE OXÍGENO, AZUFRE, NITRÓGENO, HALÓGENOS...

EN ALGUNAS SUSTANCIAS QUE CONTIENEN HIDRÓGENO, COMO FLUORURO DE HIDRÓGENO HF, AGUA H2O , Y AMONIACO NH3 , SE OBSERVA UNA FORMA DE UNIÓN ENTRE SUS MOLÉCULAS, DENOMINADA UNIÓN PUENTE DE HIDRÓGENO.

EN EL CASO DEL HF, LAS MOLÉCULAS SON COVALENTES POLARES COMO CONSECUENCIA DE LA DIFERENCIA DE ELECTRONEGATIVIDAD QUE EXISTE ENTRE EL HIDRÓGENO Y EL FLÚOR.

ESTA POLARIZACIÓN PROVOCA LA ATRACCIÓN DE LA ZONA POSITIVA DE UNA MOLÉCULA CON LA ZONA NEGATIVA DE OTRA, FORMANDO UN PUENTE ENTRE AMBAS MOLÉCULAS.

LAS MOLÉCULAS DE AGUA TAMBIÉN SON DIPOLOS A CAUSA DE LA DIFERENCIA DE ELECTRONEGATIVIDAD ENTRE EL OXÍGENO Y EL HIDRÓGENO, Y FORMAN ENTRE ELLAS UNIONES PUENTE DE HIDRÓGENO.

INFLUENCIA DE LAS FUERZAS INTERMOLECULARES EN LAS PROPIEDADES FISICAS.

COMO CONSECUENCIA DE LA ESTRUCTURA QUE PRESENTAN LAS MOLÉCULAS, SE PRODUCEN ENTRE ELLAS DIFERENTES FUERZAS DE ATRACCIÓN. ESTAS FUERZAS SON DE DISTINTA INTENSIDAD Y MANTIENEN MÁS O MENOS UNIDAS A LAS MOLÉCULAS ENTRE SÍ, DETERMINANDO LAS PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS, TALES COMO: ESTADO DE AGREGACIÓN, PUNTO DE EBULLICIÓN, SOLUBILIDAD, ETC.

GASES

SON UNA COLECCIÓN DE MOLÉCULAS MUY SEPARADAS ENTRE SÍ, PUES LA ENERGÍA CINÉTICA DE LAS MOLÉCULAS ES MAYOR QUE LAS FUERZAS ATRACTIVAS ENTRE LAS MOLÉCULAS

LA AUSENCIA DE CUALQUIER FUERZA ATRACTIVA SIGNIFICATIVA ENTRE LAS MOLÉCULAS, LES PERMITE EXPANDIRSE HASTA LLENAR EL RECIPIENTE QUE LO CONTIENE

SI LAS FUERZAS ATRACTIVAS EMPIEZAN A SER SIGNIFICATIVAS, LOS GASES EXHIBEN COMPORTAMIENTO DIFERENTE QUE AL DEL GAS IDEAL

LÍQUIDOS

LAS FUERZAS DE ATRACCIÓN INTERMOLECULAR SON SUFICIENTEMENTE GRANDES COMO PARA MANTENER A LAS MOLÉCULAS CERCA UNAS DE OTRAS

LOS LÍQUIDOS SON MÁS DENSOS Y MENOS COMPRESIBLES QUE LOS GASES

LOS LÍQUIDOS TIENEN UN VOLUMEN DEFINIDO QUE ES INDEPENDIENTE DE LA FORMA Y TAMAÑO DEL RECIPIENTE QUE LOS CONTIENE.

LAS FUERZAS ATRACTIVAS NO SON SUFICIENTES COMO PARA MANTENER A LAS MOLÉCULAS VECINAS EN POSICIÓN FIJA Y LAS MOLÉCULAS SE MUEVEN. DE MANERA QUE LOS LÍQUIDOS PUEDEN VACIARSE Y ASUMEN LA FORMA DEL RECIPIENTE.

SÓLIDOS

LAS FUERZAS INTERMOLECULARES ENTRE MOLÉCULAS VECINAS SON AHORA SUFICIENTEMENTE GRANDES PARA MANTENERLAS EN POSICIONES FIJAS UNAS RESPECTO A LAS OTRAS

LOS SÓLIDOS (COMO LOS LÍQUIDOS) NO SON COMPRESIBLES DEBIDO A LA AUSENCIA DE ESPACIO ENTRE LAS MOLÉCULAS VECINAS

SI LAS MOLÉCULAS EN UN SÓLIDO ADOPTAN UN EMPAQUETAMIENTO ORDENADO, SE DICE QUE LA ESTRUCTURA DE LAS MOLÉCULAS ES CRISTALINA

DEBIDO A LA MAGNITUD DE LAS FUERZAS INTERMOLECULARES ENTRE MOLÉCULAS VECINAS, LOS SÓLIDOS SON RÍGIDOS